CN111342904B - 产生单频振荡微波信号的方法及单频振荡微波信号源 - Google Patents

Abstract

产生单频振荡微波信号的方法及单频振荡微波信号源，基于以下技术构思：应用受激布里渊散射原理并基于电光相位调制器构建强度调制子系统来代替光电振荡器中的电光强度调制器，并利用强度调制子系统实现电光强度调制功能；通过激发强度调制子系统中高线性光纤的非线性产生受激布里渊散射，散射光反向传输后与光载波干涉拍频成微波信号，再基于游标卡尺效应，使得与该微波信号频率一致的振荡模式被锁定成为主模，基于模式竞争机理，使得源于系统白噪声的边模被初次抑制；与此同时，在循环过程中，主模振荡信号通过布里渊散射的增益区得到放大，而边模振荡信号通过损耗区和本征损耗区被再次抑制，经过双重抑制后产生高的边模抑制比的单频振荡微波信号。

Description

产生单频振荡微波信号的方法及单频振荡微波信号源

技术领域

本发明涉及微波技术与光通信技术的交叉领域，特别涉及一种产生单频振荡微波信号的方法及单频振荡微波信号源。

背景技术

信号源是电子系统的心脏，其指标参数的高低是决定信息系统性能的核心因素之一。单频振荡信号即正弦信号，是其它各种信号的生成源，能够产生高质量的单频振荡信号是当前科技发展的重点研究方向。随着振荡器频率的增加，单频信号的相噪也会随着恶化，这是当前微波通信领域的一个典型“电子瓶颈”；光电振荡器将光子技术应用到微波领域，基于光纤的大带宽、低损耗、抗电磁干扰以及重量轻等优势，能够有效地克服该“电子瓶颈”，属于微波光子技术应用研究领域。

一方面，基于光电振荡器基本原理，要产生低相噪振荡信号，必须要有大的储能谐振腔，一般采用很长的通信光纤，但长光纤会引起多模振荡信号，传统方法通常采用“多环互联”或是“注入锁定”的方式来抑制边模，系统涉及元器件模块较多，十分繁杂，稳定性不好且边模抑制比不够理想；另一方面，现有技术常采用电光强度调制器来实现电光强度调制，采用腔体滤波器来对振荡信号进行选频与调谐，但电光强度调制器的偏置电压很难控制，且它与腔体滤波器均属于温度敏感元件且体积庞大，使得振荡信号温漂很难控制，系统可靠性不佳，同时也不利于轻量化、集成化。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种能够产生高的边模抑制比的单频振荡微波信号的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种产生单频振荡微波信号的方法，应用受激布里渊散射原理并基于电光相位调制器构建强度调制子系统来代替光电振荡器中的电光强度调制器，并利用所述强度调制子系统实现电光强度调制功能；通过激发强度调制子系统中高非线性光纤的非线性产生受激布里渊散射，散射光反向传输后与光载波干涉拍频成微波信号，再基于游标卡尺效应，使得与该微波信号频率一致的振荡模式被锁定成为主模，基于模式竞争机理，使得源于系统白噪声的边模被初次抑制；与此同时，在循环过程中，主模振荡信号通过布里渊散射的增益区得到放大，而边模振荡信号通过损耗区和本征损耗区被再次抑制，经过双重抑制后产生高的边模抑制比的单频振荡微波信号。进一步地，通过调节光电振荡器中泵浦光波长来对单频振荡微波信号的频率来进行调谐。

其中，将光电振荡器中激光器发射的单频窄带激光信号通过耦合器分解成上支路的泵浦光和下支路的光载波，下支路的光载波通过相位调制器后被微波信号调制，完成相位调制后通过隔离器传送至高非线性光纤；上支路的泵浦光通过混频器输出后进入高非线性光纤，泵浦光激发高非线性光纤的非线性产生受激布里渊散射效应，布里渊散射光反向传输，当相位调制的微波信号频率与布里渊频移一致时，即可通过受激布里渊散射效应实现电光强度调制。基于与前述产生单频振荡微波信号的方法同样的技术思路，本发明还提供一种单频振荡微波信号源，其包括光电振荡器以及利用受激布里渊散射原理并基于电光相位调制器构建的用于实现电光强度调制功能的强度调制子系统，所述光电振荡器中的电光强度调制器被替换成所述强度调制子系统，所述强度调制子系统中包括高非线性光纤，通过激发所述高非线性光纤的非线性产生受激布里渊散射，散射光反向传输后与所述光载波干涉拍频成微波信号，再基于游标卡尺效应，使得与该微波信号频率一致的振荡模式被锁定成为主模，基于模式竞争机理，使得源于系统白噪声的边模被初次抑制；与此同时，在循环过程中，主模振荡信号将通过布里渊散射的增益区得到放大，而边模振荡信号通过损耗区和本征损耗区被再次抑制，经过双重抑制后产生高的边模抑制比的单频振荡微波信号。

其中，所述强度调制子系统包括耦合器1、相位调制器、隔离器、高非线性光纤和混频器，在所述耦合器1的输入端连接有激光器；

所述耦合器1的一个输出端口与相位调制器、隔离器、高非线性光纤依次连接，所述高非线性光纤的输出端再连接混频器的1号端口，构成下支路；

所述耦合器1的另一输出端口与混频器的2号端口相连，构成上支路；

所述激光器发射单频窄带激光信号，通过耦合器1后分成泵浦光和光载波两个部分，所述泵浦光输入上支路，所述光载波输入下支路；

所述下支路的光载波通过相位调制器后被微波信号调制，完成相位调制后通过隔离器传送至高非线性光纤；所述上支路的泵浦光通过混频器的2号端口进入，再从混频器的1号端口输出后进入高非线性光纤，泵浦光激发高非线性光纤的受激布里渊散射效应，布里渊散射光反向传输，当相位调制的微波信号频率与布里渊频移一致时，即可实现电光强度调制。

进一步地，所述激光器为波长可调激光器，调节所述激光器的波长可改变泵浦光的波长，从而使得产生的单频振荡微波信号频率可调谐。

其中，在所述光电振荡器中还包括依次连接的光电探测器、可调移相器、耦合器2和放大器，所述混频器的3号端口通过通信光纤连接光电探测器，所述放大器连接相位调制器；从所述混频器的3号端口输出的光信号进入通信光纤进行延时后到达光电探测器还原成微波信号，通过可调移相器调整相位后达到耦合器2实现部分耦合输出，另一部分通过放大器补偿环路损耗后达到相位调制器电输入端口，进入强度调制子系统后又开始下一轮循环，直到产生稳定的微波振荡输出信号。

与现有技术相比，本发明基于电光相位调制结构，结合受激布里渊散射效应构建电光强度调制系统，在实现强度调制的同时避免使用电光强度调制器与腔体窄带滤波器等温度敏感元件；同时，本发明基于受激布里渊散射效应，采用模式竞争与等效窄带滤波双重抑制边模，通过改变激光器波长来调谐振荡信号频率，有助于获得更高的边模抑制比。与仅采用微波窄带滤波器抑制的方式相比，本发明采用了双重抑制边模方式，更有利于提高边模抑制比，同时增强了系统的稳定性与可靠性，降低了系统繁杂度。

附图说明

图1是本发明所涉可调谐单频振荡微波信号系统的整体结构示意图；

图2是电光调制原理示意图；

图3是等效强度调制形成机理示意图；

图4是双重边模抑制原理示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员更好地理解本发明相对于现有技术的改进之处，下面结合附图对本发明作更进一步的说明，应当理解的是，下面提及的实施例仅用于对本发明进行说明，而非对本发明的具体限制。

本发明相对于现有技术的改进之处主要在于：应用受激布里渊散射原理，基于电光相位调制器构建强度调制子系统，实现电光强度调制功能，代替传统光电振荡器的电光强度调制器。不仅如此，通过激发光高非线性光纤的非线性产生受激布里渊散射，散射光反向传输后与光载波干涉拍频成微波信号，基于游标卡尺效应，与该信号频率一致的振荡模式即被锁定成为主模，由于其它模式源于系统白噪声，起振能量小，基于模式竞争机理，这些边模将被初次抑制；与此同时，通过循环，主模振荡信号将通过布里渊散射的增益区得到放大，边模振荡信号将通过损耗区或是本征损耗区而被进行二次抑制，经过双重抑制后最终产生高的边模抑制比的单模振荡信号。此外，根据受激布里渊散射原理，由于布里渊频移与泵浦光波长呈反比例增长，故可通过调节激光器的波长来对微波振荡信号的频率来进行调谐，且不需改变系统的任何配置与参数。本领域技术人员应当明白，前述“高的边模抑制比”是指在不考虑器件差异的前提下，与仅仅没有边模抑制或者采用微波窄带滤波器抑制的信号源所产生的振荡信号相比，本发明产生的振荡信号具有相对更高的边模抑制比。具体来说，本发明相对于现有技术的改进之处主要体现在以下三个方面。

1、实现等效强度调制。

1.1、构建强度调制子系统，实现电光强度调制。

图1示出了本发明所涉可调谐单频振荡微波信号系统的结构。其中，强度调制子系统包括耦合器1、相位调制器、隔离器、高非线性光纤以及混频器，其中，耦合器1的输入端连接有激光器，耦合器1、相位调制器、隔离器、高非线性光纤依次相连后连接至混频器的1号端口，构成下支路；耦合器1的另一输出端口与混频器的2号端口相连，构成上支路。激光器发射单频窄带激光信号，通过耦合器1后按照一定比例功分成两部分，分别作为泵浦光与光载波通过上、下两支路；光载波通过相位调制器被电信号相位调制后通过隔离器进入高非线性光纤，最终进入混频器的1号端口，再从3号端口输出。隔离器仅允许光的单向传输，隔离光的反向传输；混频器为多端口器件，此处采用三端口混频器，光信号呈逆时针传输，即3号端口只能进入2号端口，2号端口只能进入端口1，1号端口只能进入3号端口。

激光器发射的单频窄带激光信号通过耦合器1分解成两部分，下支路的光载波通过相位调制器后被微波信号调制，完成相位调制后通过隔离器传送至高非线性光纤；上支路泵浦光通过混频器的2号端口进入，从1号端口输出后进入高非线性光纤，由于泵浦光功率较大，容易激励高非线性光纤的受激布里渊散射效应，布里渊散射光将反向传输，如相位调制的微波信号频率与布里渊频移一致，该相位调制转换为强度调制。其理论分析如下：

设调制微波信号为x＝Acosωt，光载波为Y＝Be^jΩt，其中A与B分别为两信号的幅值；ω＝2πf₀与Ω＝2πχ分别为微波信号与光载波的角频率，f₀与χ分别为微波信号与光载波频率，如果将该微波信号对光载波进行调制，保留一阶调制边带，其频谱分量包含三个向量Z＝Z_-1+Z₀+Z₁分别为载波分量Z₀＝C₀e^j2πχt、-1阶分量

与1阶分量

其中C_-1＝-C₁，即-1阶与1阶大小相等，方向相反，通过光电探测器拍频进行包络检波后的电信号输出可表示为S_out＝η|Z|²＝ηZZ^*，其中，η为光电转换效率，z^*为Z的共轭复数，进一步化简后可得：

其中S_DC＝η(C_-1 ²+C₀ ²+C₁ ²)为直流分量；

为信号分量，

为倍频分量。

由上式可知，通过光电探测器后在信号分量中，如果C_-1＝-C₁，那么

即无信号分量输出。但，如果通过光学手段来使得C_-1≠-C₁，那么信号分量输出不为0，也就是说，如果通过受激布里渊效应来改变C_-1＝-C₁的取值，使得C_-1≠-C₁，即可以实现电光的强度调制。

当泵浦光通过混频器进入高非线性光纤后激发布里渊散射，已相位调制器的光信号也通过高非线性光纤，如果调制微波信号频率与布里渊频移相同时，此时，已调光信号的-1阶分量

与1阶分量

的大小将发生改变，C₁失去部分能量而变小，C_-1得到能量而变大，于是C_-1＝-C₁的取值被打破，使得C_-1≠-C₁，即通过受激布里渊效应实现电光的强度调制。

1.2、单频振荡微波信号系统等效强度调制形成。

从3端口输出的光信号进入通信光纤进行延时后到达光电探测器还原成微波信号，通过可调移相器调整相位后达到耦合器2实现部分耦合输出，另一部分通过放大器补偿环路损耗后达到相位调制器电输入端口，进入子系统后又开始下一轮循环，直到产生稳定的微波振荡输出信号。鉴于上述结构，从功能上讲构成了一典型了光电振荡器系统，只要振荡信号满足巴克豪森条件(增益大于1，相移量为2π的整数倍)，即可产生稳定振荡。该振荡信号可表示为：

调整电移相器，使得

(n为整数)，由上式不难看出，当ωτ＝n·2π(n为正整数)时，上式可取最大值，即频率

(n为正整数)的单频点信号可以产生振荡，两个相邻振荡信号的频率差定义为自由谱范围(Free spectrum range，FSR)，即得出

τ为光纤的延时量，其值根据

求得，其中，n₀为光纤延时线的折射率，l为光纤长度，c为光在真空中的传播速率(其值为3×10⁸m/s)。

电光调制的原理分析如图2所示，该图给出了只考虑正负一阶边带情况下，强度调制、相位调制以及基于受激布里渊效应的等效强度调制情况下的频谱密度分析原理。强度调制后，除载波分量外，正负一阶边带谱密度大小相等，并且保持相同的相位，故通过拍频后能还原调制信号；相位调制后，正负一阶边带虽然谱密度大小相等，但相位相反，故通过拍频后不能还原调制信号。

图3给出了等效强度调制的原理分析。如图所示，通过受激布里渊效应来改变正负一阶边带谱密度大小，使得位于正一阶边带与载波的光子失去一个声子能量而发生频移，即为受激布里渊频移，只要调制频率与受激布里渊频移相等，那么正一阶边带位于受激布里渊效应的损耗区，其谱密度降低；而负一阶边带位于受激布里渊效应的增益区，其谱密度增加。通过受激布里渊散射后，使得正负一阶边带谱密度大小不相等，所以通过光电探测器拍频后即可还原调制微波信号，完成了等效强度调制过程。

2、实现边模的双重抑制。

如采用常用的电光强度调制器，光电振荡器产生自激振荡的简要理论分析如下：振荡源于环内高斯噪声，根据近似线性理论，设该噪声在频率f处对应的分量为V_in＝V₀cosωt，用复数可表达为V_in＝V₀e^jωt，其中，V₀为信号幅值，ω＝2πf为信号角频率，t为时间。通过第一次循环后，信号可表达为：

其中g₁为第一次循环的环内增益，τ为环内光纤延时线提供的延时，

为环内附加相移动。

同理，通过第二次循环后的信号可表达为：

其中g₂为第一次循环的环内增益。

通过第n次循环后的信号可表达为：

其中g_n为第n次循环的环内增益。振荡信号为多次循环信号之和，即

振荡源于高斯噪声，所以起振信号非常小，即V₀→0，为简化计算，可令g₁≈g₂…≈g_n≈g，其中g为约等于1的常量，则第n次循环后的信号可简化为：

利用等比数列求和可得振荡信号为：

基于公式

可求得振荡信号的功率为：

由上式不难看出，调整电移相器，使得

(n为整数)，当ωτ＝n·2π(n为正整数)时，上式可取最大值，即频率

(n为正整数)时对应的所有模式信号均产生产生振荡。

改用前述强度调制子系统代替传统电光强度调制器以后，在实现强度调制功能的同时，还能够实现对边模的双重抑制，见图4所示，其原理为：1、调谐环内的可调移相器，可使得多模振荡信号的某个振荡信号中心频率在一个FSR内移动，基于游标卡尺效应，让某个模式中心频率与受激布里渊频移f_b对准，使得系统起振种子不是均源于内部白噪声，由于白噪声谱密度在整个频域为一很小的常数，故受激布里渊频移f_b对应的频点信号远大于白噪声谱密度，该频点模式振荡信号源于光载波与布里渊反向散射光拍频产物，所以种子源较其它各模式要大得多，故通过多次循环后基于环内的增益压缩能够在模式竞争中取得优势，成为主模，很好地对边模振荡信号进行抑制。设泵浦光为Y_p＝B_pe^jΩt，通过混频器进入高非线性光纤，激发光纤的受激布里渊散射，散射光与泵浦光反向，可表示为

该散射光与光载波同向、频率差刚好为f_b，通过后置的光电探测器拍频后频率为f_b的微波信号，该拍频产物即为对应频率为f_b的振荡源，其值显然要远大于系统白噪声的谱密度。2、由于受激布里渊散射效应，使得该子系统在其频段内呈现三种区域特性，分别为：“增益区”——该区域是以χ-f_b为中心频率的窄带区域，通过该区域光信号受布里渊散射效应影响而加强；“损耗区”——该区域是以χ+f_b为中心频率的窄带区域，通过该区域光信号受布里渊散射效应影响而削弱；“本征损耗区”——该区域为非“增益区”与“损耗区”包含的区域，其损耗为光信号传输至高非线性光纤的本征损耗以及各种转换、耦合产生的总和。基于强度调制原理，对于微波调制信号而言，仅调制频率在布里渊散射频移f_b的窄带区域才能完成强度调制，其它频率调制信号将被湮没，即基于受激布里渊效应，该子系统等效为一高Q值窄带滤波器，可代替传统的窄带腔体滤波器。综上所述，通过模式竞争与等效窄带滤波双重机制对振荡信号的边模进行抑制，可更好地抑制边模振荡功率，进一步提高边模抑制比。

3、实现单频振荡微波信号频率可调谐。

基于上述强度调制子系统的机理阐述可知，振荡信号的频率f等于受激布里渊散射频移f_b，而基于布里渊散射效应原理，布里渊散射频移f_b量由泵浦光的波长决定，也就是说，可以通过改变泵浦光的波长来改变布里渊散射频移f_b，最终实现振荡信号频率的可调谐性。基于量子力学理论，光纤中的受激布里渊散射效应是由泵浦光、散射光与声波三者相互作用而产生，相互作用是应同时满足能量守恒与动量守恒定律，而声波频率等于布里渊频移，散射光与泵浦光反向，有如下关系：

f_b＝f_p-f_s；

k_b＝k_p-(-k_s)；

其中f_b、f_p、f_s分别为声子频率、泵浦光频率与散射光频率；其中k_b、k_p、k_s分别为声子波矢、泵浦光波矢与散射光波矢。声子频率与波矢有如下关系：

f_b＝v_bk_b，其中v_b为声子在光纤中的传播速率，而k_p≈k_s，最终求得声子频率即布里渊散射频移为：

其中n为高非线性光纤折射率，λ_p为泵浦光波长，其值为

由

可知，布里渊散射频移与泵浦光波长成反比，也就是说，可以通过改变波长来调谐输出的单频振荡微波信号的频率，达到频率可调谐的目的，且不需改变系统的任何配置与参数。

综合以上分析可知，本发明基于受激布里渊效应，采用等效窄带滤波与模式竞争结合形成的双重机制来抑制微波振荡信号的边模，在实现输出的单频振荡微波信号频率可调谐的同时，提高了系统边模抑制比，突破了当前光电振荡器边模抑制与频率调谐技术的局限，并且还增加了系统的稳定性、可靠性，降低了系统的繁杂度。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (5)

1.产生单频振荡微波信号的方法，其特征在于：

将激光器发射的单频窄带激光信号通过耦合器1按照一定比例功分成泵浦光和光载波；

将所述泵浦光经混频器的2号端口输入，再从所述混频器的1号端口输出至高非线性光纤中激发布里渊散射，形成反向传输的布里渊散射光；

将所述光载波输入相位调制器进行相位调制，将相位调制后的光信号经隔离器也输入所述高非线性光纤中，之后再输入所述混频器的1号端口，从所述混频器的3号端口输出；

将从所述混频器的3号端口输出的光信号通过通信光纤延时后输入光电探测器还原成微波信号，再通过可调移相器对还原成的微波信号调整相位，将调整相位后的微波信号输入耦合器2实现部分耦合输出，另一部分微波信号通过放大器补偿环路损耗后输入所述相位调制器对所述光载波进行相位调制；

通过调整所述可调移相器，让输入所述相位调制器对光载波进行相位调制的微波信号的调制频率与受激布里渊频移一致，使得输入所述高非线性光纤中的光信号与布里渊散射光干涉实现强度调制，完成强度调制后的光信号再输入混频器的1号端口，并从混频器的3号端口输出，通过所述光电探测器拍频再次还原成微波信号，进入下一轮循环，基于游标卡尺效应，与该微波信号频率一致的振荡模式将被锁定成为主模；

基于模式竞争机理，源于系统白噪声的边模被初次抑制后，在循环过程中，主模振荡信号通过布里渊散射的增益区得到放大，而边模振荡信号通过损耗区和本征损耗区被再次抑制；与此同时，基于强度调制原理，对于微波调制信号而言，仅调制频率在布里渊散射频移的窄带区域才能完成强度调制，其它频率调制信号将被湮没，等效于窄带滤波；通过模式竞争与等效窄带滤波双重机制即可对振荡信号的边模进行抑制，抑制边模振荡功率，从而产生高的边模抑制比的单频振荡微波信号。

2.根据权利要求1所述的产生单频振荡微波信号的方法，其特征在于：还包括通过调节光电振荡器中泵浦光波长来对单频振荡微波信号的频率来进行调谐，进而提高单频振荡微波信号的边模抑制比。

3.单频振荡微波信号源，其特征在于：采用权利要求1所述的方法产生高的边模抑制比的单频振荡微波信号。

4.根据权利要求3所述的单频振荡微波信号源，其特征在于：包括激光器、耦合器1、相位调制器、隔离器、高非线性光纤、混频器、通信光纤、光电探测器、可调移相器、耦合器2和放大器；

所述混频器包括1号端口、2号端口和3号端口，光信号在所述混频器中呈逆时针传输，从所述3号端口输入的光信号只能进入2号端口，从所述2号端口输入的光信号只能进入1号端口，从所述1号端口输入的光信号只能进入3号端口；

所述耦合器1的输入端连接激光器，所述耦合器1的一个输出端口连接相位调制器，所述相位调制器、隔离器、高非线性光纤、混频器、通信光纤、光电探测器、可调移相器、耦合器2和放大器依次首尾连接，且所述高非线性光纤是连接混频器的1号端口，所述通信光纤是连接混频器的3号端口，所述耦合器1的另一个输出端口连接混频器的2号端口。

5.根据权利要求4所述的单频振荡微波信号源，其特征在于：所述激光器为可调激光器，调节所述激光器可改变泵浦光的波长，从而使得产生的单频振荡微波信号频率可调谐。

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